بخشی از مقاله
مقدمه
با توجه به نقش اســاســی پرتوهای پراکنده در موارد مختلف صــنعتی، پزشــکی، امنیتی و... اهمیت به کارگیری سـیسـتمهای بر مبنای این پدیده فیزیکی، کاملا روشـن است. همچنین با در نظر داشتنن این موضوع که در برخی موارد امکان دسـترسـی به سـمت دیگر جسـم وجود ندارد، لذابررسـی مشـخصات ماده مورد نظر بر اساس پرتو عبوری قابل حصـول نبوده و ناگزیر به اسـتفاده از روش پس پراکندگی هسـتیم. برای مثال در شـناســایی مینهای مدفون در زیر خاک از این روش استفاده میشود .[1]
برهم کنشهـای متـداول فوتون بـا مـاده عبارتند از: اثر فوتوالکتریک، پراکندگی کامپتون و تولید زوج. برهمکنش غالب تابش پرتوهای گاما به مواد با عدد اتمی کمتر از 60 در محدوده انرژی(300-1000) keV، فرایند پراکندگی کامپتون اســت که با توجه به عدداتمی ماده و زاویه پراکندگی مقدار متفاوتی دارد.بررســیها نشــان دادهاند میزان پراکندگی بازگشـتی از مواد با عدد اتمی پایینتر نسـبت به مواد با Z بالا شدیدتر است.[2] از این ویژگی میتوان در تفکیک مواد مختلف از هم اسـتفاده نمود، بدین صـورت که میزان شـمارش گامای پراکنده شده از مواد با عدد اتمی پایین،مانند مواد منفجره و مخدر، نسـبت به مواد با Z بالاتر، مانند فلزات، بیشتر اسـت. از این خصـوصیت پرتوهای گاما هم اکنون در بسـیاری از نقاط مختلف جهان از برای شـناسایی مواد منفجره و مخدر پنهان در داخل
434
چمـدان، خودروهـا، کـانتینرهای باری و حتی بازرســـی مســـافران در گذرگاههای مرزی و فرودگاهها اســـتفاده میشود.[2]
با افزایش ضـخامت ماده پراکندهساز شمار پرتوهای بازگشتی به سمت چشمه نیز افزایش مییابد. با در نظر داشتن این موضـوع میتوان ضـخامت یک ماده بر روی ماده دیگر را نیز تعیین نمود.[3] با توجه به محاسبات انجام شده بر اســـاس رابطـه معروف کـامپتون، پراکنـدگی فوتونها با انرژی اولیه متفاوت در زوایای بزرگتر از 100 درجه رفتاری کاملا مشـابه دارند. در حقیقت بررسـی پراکندگی در زوایای بزرگ تا حدی مستقل از انتخاب نوع چشمه میباشــد. با اســتفاده از این نتیجه میتوان هر نوع چشــمه دلخواه ســاطع کننده پرتو گاما را برای بررســی تاثیر ضــخامت روی پراکندگی به کار برد؛ هرچند که با افزایش انرژی گامای چشــمه، طبق رابطه کلین نشــینا4]و5و[7، احتمال پس پراکندگی کاهش مییابد. با وجود اینکه ناحیه انرژی گامای پس پراکنده برای طیف نگاری مناســـب نمیباشـد، اما با توجه به رفتار یکسـان چشـمهها، از شـمارش ذرات در این ناحیه میتوان برای ضـخامت سنجی اسـتفاده نمود.[3] در این تحقیق این امر به صورت محاسباتی و تجربی جهت مواد با عدد اتمی پایین، پلی اتیلن و گرافیت، بررسی شده است.
مواد روشها
آماده سازی هندسه جهت اندازه گیری تجربی سیستم اندازهگیری پس پراکندگی از چشمه، موازی ساز، آشکارساز گاما و الکترونیک مربوطه تشــکیل میشــود. با توجه به امکانات موجود در آزمایشــگاه، چشــمه گامای 137Cs بااکتیویته 0/5 mCiانتخاب گردید. با توجه به اکتیویته نســبتا بالای این چشــمه، لازم اســت که حفاظ مناســبی پیرامون چشـمه قرار گیرد تا علاوه بر حفظ ایمنی کاربر، امکان تولید یک باریکه مناسب از پرتو گاما فراهم گردد. بدین منظور برای تبدیل چشـمه نقطهای به باریکه خطی، از موازی سـازی از جنس سرب استفاده شد تا پرتوهای سـاطع شـده در جهت دلخواه هدایت شـوند. موازی سـاز طراحی شده، ساختاری تقریبا مخروطی شکل داشته به طوری که با حرکت پرتوهای گاما به ســمت جلو، از قطر پرتو کاســته گردیده و در انتها باریکه خروجی با قطر 1 سـانتیمتر حاصـل شـد. برای طراحی این موازی ساز، از کد MCNPX2/6استفاده گردید. نکته حائز اهمیت در این طراحی، علاوه بر باریکه کاملا موازی، ضــخامت کافی موازی ســاز اســت؛ طبق دادههای کتابخانه MCNP مســافت آزاد میانگین فوتونهای گاما با انرژی662keV در ماده ســرب، در حدود چند میلیمتر اســت، ضــخامت 5cm از ســرب برای متوقف نمودن فوتونها و جلوگیری از خروج آنها از موازی ســاز، میتواند کافی باشــد. به گونهای که ذرات تنها از روزنه خروجی موازی سـاز عبور میکنند. شکل1 طرح شماتیک موازی ساز طراحی شده با اسـتفاده از کدMCNPاسـت.برای ثبت طیفهای بازگشتی، از آشکارسازهای مختلفی میتوان استفاده نمود. اما آشـکارسـاز مناسـب باید به راحتی قابل حمل بوده و بازدهی بالایی برای فوتونهای گاما داشته باشد. از آنجا که
435
مطابق با هندســـه شـــکل2، پراکندگی در زوایای حدود 160 درجه مورد توجه اســـت و در این زوایا طبق رابطه کامپتون انرژی فوتونهای بازگشــتی اندک اســت، لذا آشــکارســاز مورد اســتفاده بلور(NaI(Tl با ابعاد کوچک 1"×1"انتخاب شـد تا زاویه فضایی آشکارساز برای شمارش فوتونهای بازگشتی کوچک شود.به منظور بررسی اثر ضخامت ماده پراکنده ساز روی تعداد رویدادهای پراکندگی بازگشتی، طیف پراکندگی فوتونهای گاما با انرژی 662keV از مواد مختلف (گرافیت، شـیشـه و پلی اتیلن) در زمان شمارش یکسان 120 ثانیه ثبت و مورد بررسی قرار گرفت.بررسـی اثر ضـخامت، به صـورت تئوری نیز از روش شـبیهسـازی با کد MCNP، انجام شد. شکل2 قرارگیری چشـمه، موازیسـاز سربی، آشکارساز و ماده پراکنده ساز را نشان میدهد که با استفاده از کد MCNP شبیهسازی گردیده است.
